應(yīng)用數(shù)字化無模鑄造技術(shù)生產(chǎn)藝術(shù)鑄件的探索與實踐

向青春，張 偉，毛 杰，邱克強(qiáng)，李榮德

（沈陽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870）

藝術(shù)鑄造是雕塑創(chuàng)作與鑄造技術(shù)相結(jié)合來創(chuàng)造美的工程。隨著人民物質(zhì)文化和精神文明生活水平的不斷提高，藝術(shù)鑄件獲得了越來越廣泛的應(yīng)用。藝術(shù)鑄造在國內(nèi)外均具有悠久的歷史，在中國藝術(shù)鑄造可以上溯到5000年前的青銅藝術(shù)鑄件。在數(shù)千年的歷史中，中國創(chuàng)作的藝術(shù)鑄件瑰寶可以說是層出不窮，如以陶范為代表的商代晚期的青銅酒器“四羊方尊”，集中了繪畫、浮雕、線雕、圓雕等各種手法，造型絢麗多彩；又如以失蠟法為代表的戰(zhàn)國早期青銅酒器與盥洗器，器上所鑄成的裝飾紋令人嘆為觀止。而我國戰(zhàn)國時期的曾侯乙編鐘是中國古代聲學(xué)、樂律學(xué)和金屬學(xué)的空前成就，被國際音樂界稱為“世界第八奇跡”[1]。

然而由于多方面原因，近百余年來我國藝術(shù)鑄造業(yè)曾走了一段大的下陂路，大量珍貴鑄造歷史文物被損毀遺失，藝術(shù)鑄造業(yè)曾一度停滯不前。當(dāng)前，我國藝術(shù)鑄件其紋飾的精致程度及復(fù)雜程度與我國古代藝術(shù)鑄造精品相比較，甚至都有很大的差距[2]。而隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人民群眾對文化藝術(shù)需求的日益擴(kuò)大，并且隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，各種鑄造新材料、新工藝、新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，才使得我國的藝術(shù)鑄造又走入了新的發(fā)展時期，讓我國的藝術(shù)鑄造又呈現(xiàn)出欣欣向榮的景象[3，4]。

目前，我國的藝術(shù)鑄造企業(yè)根據(jù)產(chǎn)品的特征及自身生產(chǎn)條件，可以采用的鑄造方法包括熔模精密鑄造、金屬型鑄造、壓力鑄造、樹脂砂型鑄造、水玻璃砂型鑄造、石膏型鑄造、陶瓷型鑄造、離心鑄造、傳統(tǒng)的泥型鑄造等成型方法[5]。而這些傳統(tǒng)的藝術(shù)鑄造方法都是先要制造出模型。當(dāng)藝術(shù)鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，單件或小批量生產(chǎn)時，傳統(tǒng)鑄造方法的制造模型過程將占據(jù)整個生產(chǎn)過程的絕大部分時間，因而存在生產(chǎn)周期長、成品率低、鑄件成本高等缺點。如何弘揚(yáng)中國的藝術(shù)鑄造產(chǎn)業(yè)，改進(jìn)藝術(shù)鑄造方法，提高藝術(shù)鑄件的成品率和內(nèi)在鑄件質(zhì)量是我國鑄造工作者一直在探索的問題。近年發(fā)展起來的數(shù)字化無模鑄造技術(shù)摒棄了傳統(tǒng)造型的方法，根據(jù)CAD模型直接加工出砂型，可以有效地解決傳統(tǒng)造型所面臨的上述問題，從而應(yīng)用于藝術(shù)鑄造行業(yè)。

1 數(shù)字化無模鑄造成型技術(shù)

數(shù)字化無模鑄造成型技術(shù)是基于去除原理的快速加工制造技術(shù)[6]。目前，該技術(shù)及設(shè)備已經(jīng)在發(fā)動機(jī)缸體等新產(chǎn)品試制過程中獲得成功應(yīng)用。數(shù)字化無模鑄造成型技術(shù)不需要傳統(tǒng)的鑄造用模樣，它在機(jī)械CAD模型的驅(qū)動下，直接采用數(shù)控設(shè)備銑削出砂型而獲得鑄型，具有制造速度快、精度高、成本低等優(yōu)點。而且，由于鑄型銑削時是用完全封閉的數(shù)字化無模鑄造成型設(shè)備進(jìn)行加工的，并采用了專用的除塵輔助裝置，因此成型過程中所產(chǎn)生的粉塵、廢氣和噪聲等均可以得到有效防治，從而使得數(shù)字化無模鑄造成型技術(shù)具有綠色化的特點。表1所示為采用數(shù)字化無模鑄造技術(shù)與采用傳統(tǒng)鑄造方法開發(fā)生產(chǎn)汽車缸體的應(yīng)用效果對比[7-9]。采用數(shù)字化無模鑄造技術(shù)造型，由于省去以前傳統(tǒng)鑄造過程中木模、蠟型、金屬模具或泡沫塑料模等的制作過程[10]，所以可以縮短制造周期40%～60%，降低制造成本30%以上，減少能源以及原輔材料消耗30%以上[11，12]。

表1 汽車缸體無模鑄造工藝與傳統(tǒng)鑄造工藝技術(shù)應(yīng)用效果的對比[7-9]

本文所采用的數(shù)字化無模鑄造精密成型機(jī)如圖1所示，型號為CAMTC—SMM2000，它是機(jī)電一體化的鑄型數(shù)控加工設(shè)備，主要由特種刀具系統(tǒng)、氣動輔助排砂系統(tǒng)、全密封防護(hù)高精多軸聯(lián)動運動系統(tǒng)和數(shù)字控制系統(tǒng)等部分組成。由于鑄型的加工是由數(shù)控系統(tǒng)完成的，所以鑄型的尺寸形狀精度高，加工周期短，特別適合于多品種、中小批量產(chǎn)品的生產(chǎn)。

圖1 數(shù)字化無模鑄造精密成型機(jī)

2 數(shù)字化無模鑄造技術(shù)應(yīng)用于藝術(shù)鑄造

藝術(shù)鑄件，例如雕塑等，一般結(jié)構(gòu)復(fù)雜、表面紋飾多、做工精細(xì)，鑄件表面很大一部分都是光滑的曲面，往往采用傳統(tǒng)的造型方式比較困難。利用數(shù)字化無模鑄造成型技術(shù)可以加工出具有復(fù)雜空間曲面的鑄型及其各種微細(xì)結(jié)構(gòu)的表面裝飾紋飾，還可以在鑄型上直接加工出本身含有砂芯的復(fù)雜結(jié)構(gòu)型腔，因此可用來生產(chǎn)藝術(shù)鑄件，尤其是大型、復(fù)雜的藝術(shù)鑄件。

本文根據(jù)數(shù)字化無模鑄造的特點，設(shè)計并生產(chǎn)了一組藝術(shù)文字鑄件，文字內(nèi)容分別為“沈陽工業(yè)大學(xué)”、“公共研發(fā)中心”和“裝備制造”，如圖2所示。將這組藝術(shù)鑄件用同一砂型進(jìn)行澆注，鑄件厚度為30mm，總重9.5kg.由于鑄件上下兩面是平面且鑄件尺寸不大，所以在藝術(shù)字鑄件的熱節(jié)部位采用與大氣相通的明頂冒口這一簡單形式，同時這些冒口也作為透氣孔以加強(qiáng)鑄型型腔的排氣。所選擇的合金材料是ZL104，澆注溫度為750℃～800℃.具體生產(chǎn)過程如下。

圖2 藝術(shù)字設(shè)計

2.1 澆注系統(tǒng)的設(shè)計和計算

采用底注式澆注系統(tǒng)。先對“沈陽工業(yè)大學(xué)”這幾個字進(jìn)行澆注系統(tǒng)的設(shè)計，其他兩組藝術(shù)字可以根據(jù)類似的方法求得，再經(jīng)過組合在一起就形成了總的澆注系統(tǒng)。

1）澆注時間的計算 根據(jù)鑄造工藝手冊[12]，選用下式計算澆注時間：

式中：t—澆注時間，s；

GL—型內(nèi)的金屬總重量，kg；

S—系數(shù)，取決于鑄件壁厚，查表得S=2.2.總重量GL=2.6kg.代入（1）式得澆注時間t=3.5s.

2）選擇合適的澆道截面積比 根據(jù)經(jīng)驗公式，選取各澆道截面積比為A直∶A橫∶A內(nèi)=1∶2∶4.

3）計算內(nèi)澆道的出流壓力hp

對于含有四單元的澆注系統(tǒng)，其內(nèi)澆道出流壓力的計算公式為：

式中：k1為直澆道截面積與橫澆道截面積之比；k2為直澆道截面積與內(nèi)澆道截面積之比；Hp為鑄件的平均靜壓力高度，cm.

由于選用的是底注式澆注系統(tǒng)，鑄件的平均靜壓力高度：

式中，H0為直澆道的高度，cm；h 為鑄件的高度，cm.H0=20.0cm，h=3.0cm，代入（3）式，得Hp=18.5cm.

4）確定流量損耗系數(shù) 經(jīng)查表，流量損耗系數(shù)μ=0.7.

5）內(nèi)澆道截面積的計算

根據(jù)下式計算內(nèi)澆道截面積：

式中，A內(nèi)——內(nèi)澆道的截面積，cm2；

ρL—金屬液的密度，kg/cm3；

g—重力加速度，g=981cm/s2.

將上述計算結(jié)果代入（4）式，可得A內(nèi)=9.39m.為了保證充型能力，查表取整，可取A內(nèi)=10cm2.

6）整個澆注系統(tǒng)的計算

根據(jù)上述方法進(jìn)一步分別計算出“裝備制造”和“公共研發(fā)中心”藝術(shù)字的澆注系統(tǒng)各截面積的尺寸，其計算結(jié)果和“沈陽工業(yè)大學(xué)”藝術(shù)字的截面尺寸相近。最終，每個藝術(shù)字鑄件均分為六個內(nèi)澆道，每個內(nèi)澆道的尺寸為A內(nèi)=1.6cm2，而A橫=7.5cm2，A直=5cm2.整體澆注系統(tǒng)如圖3所示。

2.2 CAD 模型的建立

使用UG軟件繪制出藝術(shù)鑄件的相應(yīng)鑄型CAD模型圖，如圖4所示。根據(jù)鑄型的尺寸及結(jié)構(gòu)，選擇加工刀具系統(tǒng)并規(guī)劃刀具的切削路徑，如圖5所示。為確保不發(fā)生砂型過切和刀具干涉等問題，還需利用UG軟件仿真模擬功能對刀具切削路徑進(jìn)行加工過程的模擬仿真，如圖6所示，然后生成無模鑄造精密成型機(jī)能夠識別的PMC代碼。

圖3 藝術(shù)字的鑄造工藝設(shè)計

圖4 藝術(shù)字鑄型CAD

圖5 砂型切削路徑規(guī)劃

圖6 砂型切削加工仿真模擬

2.3 鑄造砂型的形成

根據(jù)鑄型CAD尺寸設(shè)計制作砂坯，要求砂坯尺寸略大于鑄型尺寸。數(shù)字化無模鑄造精密成型機(jī)CAMTC—SMM2000的鑄型加工材料應(yīng)用廣泛，可以用于水玻璃砂、樹脂砂、覆膜砂等鑄型材料的加工，其單塊最大可加工砂型尺寸為1250mm×1950mm×630mm，更大的鑄型可以采用分型組裝的方式來完成。由于數(shù)字化無模鑄造技術(shù)采用的是去除原理的加工技術(shù)，要求加工砂坯的強(qiáng)度要高于傳統(tǒng)造型的砂坯強(qiáng)度，以防止切削時型壁上的砂粒脫落或砂坯損壞的現(xiàn)象，通過加大粘結(jié)劑的用量可以增加砂坯的強(qiáng)度。本文采用樹脂砂砂坯。

將鑄型PMC代碼輸入到數(shù)字化無模鑄造精密成型機(jī)的操控電腦中，把已經(jīng)固化及干燥好的樹脂砂砂坯固定在加工平臺上，然后執(zhí)行銑平程序?qū)⑸芭鞅砻驺娖?，再由PMC程序代碼驅(qū)動設(shè)備進(jìn)行鑄型銑削加工。為確保刀具加工時的精準(zhǔn)及保養(yǎng)，加工產(chǎn)生的廢砂需通過刀頭附近噴嘴吹出的高速氣流吹出砂型型腔。分別完成粗、精加工后將鑄型取出。圖7所示為加工好的鑄型模塊。

圖7 加工好的鑄型模塊

圖8 刷好涂料的鑄型模塊

2.4 鑄型刷涂料、合型

清理完鑄型上的浮砂，然后刷涂料。刷好涂料的鑄型模塊如圖8所示。接著烘干并合型，如圖9所示。

圖9 鑄型合型

2.5 澆注、清理

熔煉金屬并澆注。落砂清理后得到的三組藝術(shù)字鑄件如圖10所示。

圖10 三組藝術(shù)字鑄件

3 結(jié) 論

1）根據(jù)數(shù)字化無模鑄造精密成型技術(shù)的數(shù)字化、精密化、柔性化、綠色化及無需設(shè)計模樣等特點，可以將其應(yīng)用到藝術(shù)鑄造行業(yè)中，能有效地克服傳統(tǒng)藝術(shù)鑄造所面臨的生產(chǎn)周期長，設(shè)計生產(chǎn)模樣困難，費用高，效率低等缺點。

2）數(shù)字化無模鑄造精密成型技術(shù)在藝術(shù)鑄造中具有很好的應(yīng)用前景，尤其適用于大型、復(fù)雜藝術(shù)鑄件的生產(chǎn)，具有精度高、周期短、成本低等優(yōu)點。

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